OBSAH
VLIV NÁHRADY ČÁSTI SLÍNKU POPÍLKEM Z KLASICKÉHO SPALOVÁNÍ HNĚDÉHO UHLÍ V BEZSÁDROVCOVÝCH CEMENTECH NA JEJICH VLASTNOSTI ADDITION OF FLUE ASH FROM THE COMBUSTION OF BROWN COAL AS A CEMET REPLACEMENT - INFLUENCE ON GYPSUM-FREE CEMENT PROPERTIES Ing. Jiří Brožovský,CSc. Ing.Petr Martinec Ing. Ondřej Matějka Ústav technologie stavebních hmot a dílců Stavební fakulta VUT v Brně Abstract: In this paper, the influence of of addition of ash from brown coal combustion on initial time, setting time and strength characteristics of gypsum-free cements are described. The ash from brown coal combustion was added in amounts 0, 10, 20, 30, 40, 50 percent of clinker weight. 1. Úvod Bezsádrovcová pojiva jsou cementy na bázi portlandského slínku(BSPC), mleté na vyšší měrné povrchy než běžné PC, přísada pro regulaci počátku tuhnutí sádrovec, je nahrazena jiným systémem, zpravidla se jedná o lignosulfonan alkalického kovu a uhličitanu alkalického kovu. V počátečním období tvrdnutí lze dosáhnout podstatně vyšších počátečních pevností ve srovnání s běžnými sádrovcovými portlandskými cementy. 2. Metodika zkoušení Pro experimentální práce byl použit bezsádrovcový cement ze slínku Prachovice, která obsahoval z výroby systém regulace tuhnutí - 0,6% KORTAN FN (KFN) a 1,8% Na2CO3, měrný povrch 468 m2kg-1 a popílek z klasického spalování hnědého uhlí z elektrárny Chvaletice. Ve výchozím pojivu je jeho část nahrazována popílkem v množství 10% -20% - 30 % 40% - 50%. U zkoumaných cementů byly zjišťovány tyto základní fyzikálně mechanické charakteristiky : a) Cementová kaše – počátek (PT) a konec tuhnutí (KT) - zjišťován postupem kodifikovaným v ČSN EN 196-3. Přídavek popílku do bezsádrovcového pojiva, jak ukázaly úvodní zkoušky vyžaduje řešit množství přísad systému regulace tuhnutí v pojivu s popílkem z hlediska jejich optimalizace ve vztahu k počátku tuhnutí, ale i následně k pevnostem cementu. b) Ztvrdlý cement - pevnost v tlaku a tahu za ohybu- výroba vzorků jejich ošetřování a následné zkoušení byly prováděny postupem kodifikovaným v ČSN EN 196-1. Použitá 102
zkušební tělesa byla ve tvaru trámečků - 40 x 40 x 160 mm. Normová malta měla zastoupení pevných složek v poměru 1 h.d. pojiva : 3 h.d. křemičitého písku. Rozdílný byl vodní součinitel - bezsádrovcové cementy obsahují přísady systémy regulace tuhnutí, kterém se vyznačují silnými plastifikačními účinky, proto jsou běžně zkoušeny s podstatně nižším součinitelem, zpravidla w = 0,31. Cementy s popílkem vyžadovaly vodní součinitel vyšší - až do 0,35. Zkušební tělesa byla po vyrobení 24 hodin uložena ve vlhkém uložení a po odformování byla uložena ve vodní lázni o teplotě 19 - 21 oC až do doby zkoušek. Pevnosti cementů byly zjišťovány ve stáří 1, 2, 3, 7, 28, 90 a 210 dní, a to vždy na jedné sadě trámečků. 3. Výsledky experimentálních prací a) Počátek a doba tuhnutí Počátek a doba tuhnutí byla sledována pro různou koncentraci přísad systému regulace tuhnutí v pojivu, konkrétně : K pojivu s popílkem byl přidáván KORTAN FN a Na2CO3 v takovém množství, aby byla dosažena jejich koncentrace odpovídající koncentraci ve výchozím pojivu pojivu 0,6% KORTAN FN a 1,8% Na2CO3 z hmotnosti pojiva (BSCS – xc). Výsledky zkoušek počátku a doby tuhnutí jsou uvedeny v tabulce 1.
TABULKA ČÍSLO 1 : Výsledky sledování vlivu různé koncentrace přísad systému regulace tuhnutí na počátek a dobu tuhnutí pojiva Označení pojiva
BSC-1 BSC –1c BSCP -2 BSCP–2a BSCP–2b BSCP–2c BSCP-3 BSCP–3a BSCP–3b BSCP–3c BSCP-4 BSCP–4a BSCP–4b BSCP–4c BSCP-5 BSCP–5a BSCP–5b BSCP–5c BSCP-6 BSCP–6a
SLOŽENÍ POJIVA BS cem/pop Vodní souč. [%] v/c
100/0 100/0 90/10 90/10 90/10 90/10 80/20 80/20 80/20 80/20 70/30 70/30 70/30 70/30 60/40 60/40 60/40 60/40 50/50 50/50
0,25 0,25 0,27 0,27 0,27 0,27 0,29 0,28 0,28 0,28 0,31 0,29 0,29 0,29 0,33 0,30 0,30 0,30 0,35 0,31
Počátek
Konec
Kortan FN [%]
Na2CO3 [%]
tuhnutí [hod:mi]
tuhnutí [hod:mi]
0,6 0,7 v pojivu 0,6 z BCS1 0,6 v pojivu 0,6 v pojivu 0,7 v pojivu 0,6 z BCS1 0,6 v pojivu 0,6 v pojivu 0,7 v pojivu 0,6 z BCS1 0,6 v pojivu 0,6 v pojivu 0,7 v pojivu 0,6 z BCS1 0,6 v pojivu 0,6 v pojivu 0,7 v pojivu 0,6 z BCS1 0,6 v pojivu
1,8 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1 1,8 v pojivu 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1 1,8 v pojivu 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1 1,8 v pojivu 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1 1,8 v pojivu 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1 1,8 z BSC1
1 : 18 1 : 32 1 : 18 1 : 24 1 : 12 1 : 41 1 : 14 1 : 25 1 : 19 1: 47 1 : 15 1 : 23 1 : 17 1: 59 1 : 14 1 : 29 1 : 19 2 : 04 1 : 13 1 : 33
1 : 28 1 : 39 1 : 26 1 : 30 1 : 16 1 : 49 1 : 19 1 : 32 1 : 24 1: 53 1 : 20 1 : 29 1 : 21 2: 10 1 : 19 1 : 36 1 : 23 2 : 11 1 : 18 1 : 42
103
Označení pojiva
BSCP–6b BSCP–6c
SLOŽENÍ POJIVA BS cem/pop Vodní souč. [%] v/c
50/50 50/50
0,31 0,31
Kortan FN [%]
Na2CO3 [%]
0,6 v pojivu 1,8 v pojivu 0,7 v pojivu 1,8 z BSC1
Počátek
Konec
tuhnutí [hod:mi]
tuhnutí [hod:mi]
1 : 17 2 : 02
1 : 24 2 : 10
Z analýzy počátků a dob tuhnutí cementových kaší s různou koncentrací přísad systému regulace tuhnutí vyplývá, že při obsahu 0,7% KORTAN FN v pojivu a 1,8% Na2CO3 ve výchozím cementu je dosahováno nejvyšších hodnot. Proto byly další práce prováděny na pojivu s tímto obsahem přísad systému regulace tuhnutí. b) Pevnosti v tlaku a tahu za ohybu Jsou uvedeny výsledky sledování průběhu pevností s optimálním množstvím koncentrace přísad systému regulace tuhnutí, které bylo tj. 0,7% z hmotnosti původního bezsádrovcového cementu + z hmotnosti přidávaného popílku a 1,8% Na2CO3 z hmotnosti původního bezsádrovcového cementu. Stejně jako u cementových kaší, tak i u normových malt se vodní součinitel zvyšoval lineárně s rostoucím podílem popílku v pojivu. Výše vodního součinitele byla volena tak, aby bylo dosaženo co nejoptimálnější zpracovatelnosti a zároveň nebyly nikterak ovlivněny pevnosti normových malt. Hodnoty vodních součinitelů jsou uvedeny v názvech grafů s výsledky zkoušek. Výsledky zkoušek pevností cementu jsou uvedeny v grafech 1až 6.
12
70
11
65 60
10
55 50
9
45 40
8 7
35 30
6
25 1
2
3
7
28
Stáří [dny]
104
90
210
Pevnost v tlaku [MPa]
Pevnost v tahu za ohybu [MPa]
GRAF ČÍSLO 1 : Pevnost v tlaku a tahu za ohybu referenční záměsi (bez přídavku popílku, w=0,31)
Rf Rc
12
60
11
55 50
10
45
9
40
8
35
7
30
6
25 1
2
3
7
28
90
Pevnost v tlaku [MPa]
Pevnost v tahu za ohybu [MPa]
GRAF ČÍSLO 2 : Pevnost v tlaku a tahu za ohybu, kde výchozí pojivo je nahrazeno 10% popílku
Rf Rc
210
Stáří [dny]
12
60
11
55
10
50
9
45
8
40
7
35
6
30
5
25 1
2
3
7
28
Stáří [dny]
105
90
210
Pevnost v tlaku [MPa]
Pevnost v tahu za ohybu [MPa]
GRAF ČÍSLO 3 : Pevnost v tlaku a tahu za ohybu, kde výchozí pojivo je nahrazeno 20% popílku
Rf Rc
11
60
10
55
9
50 45
8
40
7
35
6
30
5
25
4
20 1
2
3
7
28
90
Pevnost v tlaku [MPa]
Pevnost v tahu za ohybu [MPa]
GRAF ČÍSLO 4 : Pevnost v tlaku a tahu za ohybu, kde výchozí pojivo je nahrazeno 30% popílku
Rf Rc
210
Stáří [dny]
11
55
10
50
9
45
8
40
7
35
6
30
5
25
4
20
3
15 1
2
3
7 Stáří [dny]
106
28
90
210
Pevnost v tlaku [MPa]
Pevnost v tahu za ohybu [MPa]
GRAF ČÍSLO 5 : Pevnost v tlaku a tahu za ohybu, kde výchozí pojivo je nahrazeno 35% popílku
Rf Rc
11
50
10
45
9
40
8
35
7
30
6
25
5
20
4
15
3
10 1
2
3
7
28
90
Stáří [dny]
210
Pevnost v tlaku [MPa]
Pevnost v tahu za ohybu [MPa]
GRAF ČÍSLO 6 : Pevnost v tlaku a tahu za ohybu, kde výchozí pojivo je nahrazeno 40% popílku
Rf Rc
4. Závěr Na základě analýzy dosavadních výsledků lze konstatovat : Počátek tuhnutí cementové kaše - se zvyšujícím se podílem popílku z klasického spalování hnědého uhlí v pojivu se zvyšuje doba počátku tuhnutí cementové kaše, i když se jedná řádově o minuty. Počátek tuhnutí cementové kaše - přidáním přísady systému regulace tuhnutí KORTAN FN (sulfonovaného polyfenolátu) v množství 0,7% z pojiva (původní bezsádrovcový cement + struska) byla dosaženo nejvyšších hodnot počátku tuhnutí pojiv s přídavkem popílku. Při této koncentrací přísady KORTAN FN ve všech případech byla doba počátku tuhnutí delší než u původního bezsádrovcového cementu. Vzhledem k problémům s počátkem tuhnutí a zpracovatelnosti cementové kaše, které se vyskytly při použití popílku, bylo nutno prověřit několik variant, jak tyto závady odstranit. Jako nejoptimálnější se projevila varianta, kde systém regulace tuhnutí tvořil KORTAN FN (sulfonovaný polyfenolát) v množství 0,7% hmotnosti z pojiva (původní bezsádrovcový cement + popílek) s vodním součinitelem 0,25, který byl s přibývajícím množstvím popílku postupně zvyšován až do hodnoty 0,31. Tato kombinace měla vždy nejpříznivější počátek a dobu tuhnutí. Pevnosti v tlaku cementů (pojivo s obsahem 0,7% KORTAN FN) – Téměř ve všech stanovených dobách zkoušení pevnosti v tlaku platilo pravidlo, že s přibývajícím množstvím popílku v pojivu klesá pevnost v tlaku cementu. Pouze
107
v případě 2 denního stáří cementu měl cement obsahující 10% popílku vyšší pevnost v tlaku než výchozí cement (cement bez popílku). Ve stáří cementu 90 dní dosáhly takřka rovnocenné pevnosti cementy s přídavkem 10, 20% popílku v porovnání s výchozím cementem. Pevnost v tahu za ohybu (pojivo s obsahem 0,7% KORTAN FN) – ve stáří cementu 1 až 3 dny mají obdobnou klesající tendenci jako pevnosti v tlaku. V dalším období je průběh pevností různý, je to dáno i tím, že u některých pojiv, dosáhly pevnosti v tahu za ohybu maxima ve stáří 3 resp. 7 dní a potom začaly klesat. Tento jev není u bezsádrovcových cementů neznámý. Autor článku se tímto jevem již zabýval, ale zatím se nepodařilo zjistit jednoznačnou příčinu tohoto jevu [2]. Práce byla řešena s podporou podporou záměru MSM 0021630511 Progresivní stavební materiály s využitím druhotných surovin a jejich vliv na životnost konstrukcí“ a projektu GAČR 103/04/0169 a GA 103/05/H044
5. Literatura [1] DROCHYTKA, R. a kol. Výzkum a vývoj nových materiálů z odpadních surovin a zajištění jejich vyšší trvanlivosti ve stavebních konstrukcích. VUT v Brně, Závěrečná roční zpráva projektu VVZ CEZ MSM 261100008, Brno 2002- 2004. [2] BROŽOVSKÝ, J.: Gypsum-free cements – long-term growth of strength inrelation to time. . In Sborník International conference « CONSTRUKTION AND ARCHITECTURE »: Mink, 3.-.7. februar 2003, pp. 267-271, ISBN 985-464-361-1
OBSAH
108
